فولادهای زنگ نزن آستنیتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی یک خانواده خاص از آلیاژها هستند که دارای مقاومت در برابر خوردگی عالی و خواص مکانیکی به همان اندازه چشمگیر هستند. آن‌ها دارای استحکام، چقرمگی و شکل‌پذیری بی‌نظیری در میان آلیاژهای تجاری از دمای برودتی تا دماهای بالا هستند. آن‌ها همچنین ازنظر زیبایی‌شناختی ارزشمند بوده و ازنظر محیطی بی‌خطر هستند. جدول ۱ متداول‌ترین گریدهای فولادهای زنگ نزن آستنیتی و دو گرید با قابلیت رسوب سخت شوندگی را فهرست کرده است. اگرچه تنها حدود ۱۰.۵ درصد کروم برای ضدزنگ کردن آلیاژهای آهن موردنیاز است، فولادهای زنگ نزن آستنیتی همگی حاوی حداقل ۱۵ درصد کروم هستند که با عناصر نیکل، منگنز، کربن و نیتروژن برای تثبیت ساختار f.c.c ترکیب می‌شوند.

فولادهای ضدزنگ آستنیتی از دهه ۱۹۲۰ در حال استفاده هستند، اما پیشرفت در تولید و توسعه‌ی این گروه از فلزات باعث شده تا در مقایسه با گروه‌های آلیاژی مس، آلومینیوم و آلیاژهای روکش‌دار دارای توان بالای رقابتی ازلحاظ هزینه کرد باشند. عوامل دیگری که در توسعه و کاربرد این گروه از آلیاژها مدنظر بوده است عمر طولانی با هزینه نگهداری کم، زیست سازگاری و قابلیت بازیافت آن‌ها می‌باشد.

جدول ۱. گرید های اصلی فولادهای زنگ نزن آستنیتی

• فرآوری

روش‌های فرآوری که بیشتر در تولید و فرآوری فولادهای زنگ نزن آستنیتی استفاده می‌شوند شامل کربن‌زدایی توسط دمش آرگون-اکسیژن[۱]   (AOD)و ریخته‌گری پیوسته است. همچنین تجهیزات نورد داغ و نورد سرد نیز شامل این گروه از تجهیزات می‌شوند. از فرآیند ذوب الکتریکی و با استفاده از قراضه و مواد خام برای تولید این گروه از فولادها استفاده می‌شود. بعد از انجام مرحله اول ذوب، مذاب آماده‌شده به محفظه دیگری انتقال‌یافته و توسط AOD کربن مذاب از سطح ۱ درصد به ۰۵/۰ درصد کاهش می‌یابد. در این مرحله ترکیبی از گازهای آرگون و اکسیژن در دمای ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد به مذاب تزریق می‌شود. نسبت آرگون به اکسیژن به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که بین کربن و کروم، عنصر کربن اکسید شود و در انتهای سیکل بازیابی، تلفات کروم که به‌صورت سرباره روی مذاب تشکیل‌شده‌اند با افزودن سیلیکون احیا شوند.

این مسیر فرآوری باعث افزایش بهره‌وری ذوب و کاهش هزینه مواد اولیه می‌شود و تمیزی آلیاژ را تضمین می‌کند. استفاده از سیستم AOD باعث کاهش قابل‌توجه کربن و گوگرد در ذوب می‌گردد. بعضاً از روش AOD تحت خلأ نیز برای تولید شمش‌های فولاد زنگ نزن استفاده می‌شود. استفاده از روش ریخته‌گری مداوم در تولید فولادهای زنگ نزن، علاوه بر حذف مرحله‌ی تولید شمش به‌صورت مجزا، اکسایش کروم را نیز کاهش داده است.

در فرآیند نورد داغ این گروه از فولادها، نورد تکی (تک‌مرحله‌ای)[۲] به نورد پشت سر هم[۳] ترجیح داده‌شده است چراکه قابلیت انعطاف بالایی دارد و محدوده‌ی دمایی باریکی در طول فرآیند نورد در این مسیر قابل‌اعمال است. برای برخی کاربردها ممکن است فرآیند نورد سرد نیز اعمال شود. درنهایت بایستی فرآیند آنیل انجام گیرد. فرآیند آنیل در محدوده دمایی ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود تا رسوب‌های احتمالی نیز انحلال یابند و مسیر سرمایش نهایی نیز بایستی در آب باشد تا از رسوب احتمالی در حین سرمایش جلوگیری شود.

• ساختار:

فولادهای ضدزنگ آستنیتی به‌عنوان آلیاژهای محلول جامد طراحی‌شده‌اند. دو عنصر اصلی کروم و نیکل در این فولادها نقش پایدارسازی فریت و آستنیت را بازی می‌کنند و عناصر اصلی این گروه از فولادها هستند. هر عنصری نقش جداگانه‌ای ایفا می‌کند. طراحی این فولادها به‌گونه‌ای انجام می‌شود که خواص مختلف نظیر مقاومت به خوردگی، استحکام و هزینه تمام‌شده در حد مدنظر قرار گیرد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی به‌گونه‌ای طراحی‌شده‌اند که دارای درصدی فاز فریت بعد از انجماد و سرمایش تا دمای محیط باشند و مقدار این فریت، که در طول پردازش عادی انحلال می‌یابد می‌تواند از رابطه‌ی ۱ محاسبه شود:

برای بررسی رفتار فولادهای زنگ نزن آستنیتی شامل شرایط انجماد، درصد فریتی بودن، الزامات جوشکاری و توانایی کار گرم، از معیارهای نیکل و کروم معادل استفاده می‌شود. مقدار ۵۵/۱ برای کروم معادل به‌عنوان مقدار بحرانی تعریف‌شده است که در این حالت کمترین میزان ناخالصی نظیر گوگرد، سلنیوم، فسفر، قلع و سرب در آلیاژ ایجاد می‌شود. در روابط ۲ و ۳، نیکل و کروم معادل ارائه‌شده‌اند:

در مسیر انجماد در طول فرآیند ریخته‌گری مداوم امکان تشکیل فاز فریت دلتا وجود دارد ولی با توجه به انحلال این فاز در مسیر کار گرم، خطرات ناشی از وجود این فاز شامل ایجاد ترک و توان جوش‌پذیری کاهش می‌یابد.

• پایداری آستنیت

یکی از ویژگی‌های مهم فاز آستنیت، پایداری آن است. مانند فولادهای کربنی، فولادهای زنگ نزن با آستنیت ناپایدار می‌توانند با سرد کردن یا تغییر شکل به مارتنزیت تبدیل شوند. دمای شروع استحاله مارتنزیتی، Ms، در همه آلیاژهای تجاری بسیار کمتر از دمای اتاق است، اما استحاله فازی ناشی از کرنش تقریباً همیشه در فرآوری‌های معمولی شامل نورد سرد، کشش عمیق، مفتول‌کشی، آسیاب یا سنگ‌زنی وجود دارد. مقدار مارتنزیت تشکیل‌شده به دما، نرخ کرنش و ترکیب بستگی دارد. تأثیر ترکیب توسط معادله ۴ توصیف‌شده است.

که در آن Md30 دمایی است که در آن ۵۰٪ مارتنزیت در یک کرنش واقعی ۳۰٪ تشکیل می‌شود. تمام عناصر آلیاژی مورداستفاده، آستنیت را پایدار می‌کنند، حتی آن‌هایی که پایداری فاز فریت را در طول انجماد تقویت می‌کنند. تمام گریدهای آستنیتی در هنگام بازپخت تقریباً دارای تنش تسلیم قابل‌قبول و شکل‌پذیری مناسب هستند، اما نرخ کار سختی آن‌ها بسیار متفاوت است، زیرا مارتنزیت تشکیل‌شده ناشی از کرنش، فازی بسیار سخت‌تری نسبت به آستنیتی است که از آن تشکیل می‌شود. این عامل به‌طور گسترده در انتخاب آلیاژهایی که روش‌های شکل‌دهی مختلف روی آن‌ها اعمال خواهد شد موردتوجه قرار می‌گیرد.

• رسوب فازهای کاربیدی و نیتریدی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی می‌توانند تا ۰.۱۵ درصد کربن داشته باشند. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، کربن بیشتر از یک عنصر آلیاژی، به‌عنوان یک ناخالصی شناخته می‌شود. این عنصر استحکام تسلیم را افزایش می‌دهد و به پایداری آستنیت کمک می‌کند، اما اگر در محلول جامد نگهداری نشده باشد با عنصر کروم واکنش داده و تشکیل رسوب M_۲۳C_۶ می‌کند که M شامل کروم و آهن است. این کاربید ابتدا در مرزهای دانه، سپس در دوقلویی‌ها و سپس در داخل دانه‌های آستنیت رسوب می‌کند. تشکیل رسوب در مرز دانه باعث می‌شود که مناطق اطراف از کروم رقیق شود که این پدیده “حساسیت[۴]” نامیده می‌شود و به‌ویژه برای مقاومت در برابر خوردگی مضر می‌باشد. سینتیک این رسوب زایی به‌گونه‌ای است که گریدهایی با کربن حدود ۰۸/۰ درصد در عرض چند دقیقه حساس می‌شوند درحالی‌که گریدهایی با کمتر از ۰۳/۰ درصد کربن، ۱۰۰ برابر زمان بیشتری نیاز دارند تا به سطح حساسیت مشابه برسند. افزایش نیکل و مولیبدن و کار سرد باعث تسریع رسوب زایی می‌شود، درحالی‌که نیتروژن و منگنز رسوب زایی را به تأخیر می‌اندازد. برای مقابله با ایجاد حساسیت در این گروه فولادها، از کربن پایین و عناصر کاربید زا نظیر تیتانیم و نایوبیوم استفاده می‌شود.

واکنش رسوب کاربید بین ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. در دماهای مشابه، سایر فازهای بین فلزی، عمدتاً شامل فاز سیگما، می‌توانند در زمان‌های بسیار طولانی‌تری در گریدهای صنعتی با آلیاژ بالا رسوب کنند. این در آلیاژهایی رخ می‌دهد که در آن فاز زمینه غنی از کروم ( بیش از ۱۸ درصد) و مقدار کربن محلول کم باشد. چنین فازهایی در گریدهای فریتی که سینتیک تشکیل این فازها حدود ۱۰۰ برابر سریع‌تر است، اهمیت عملی بیشتری دارند.

• سختی آستنیت

عناصر آلیاژی بین نشین شامل کربن، نیتروژن و در درجات بعدی بور، در مقایسه با تأثیر اندازه دانه و عناصر جا نشین، روی استحکام زایی اثربخشی بیشتری دارند. نیتروژن مؤثرترین عامل برای افزایش استحکام آستنیت است زیرا دارای بیشترین ضریب تقویت و حلالیت بالا است. ازآنجایی‌که نیتروژن همچنین کاربید و رسوب فازهای دیگر را سرکوب می‌کند، مقاومت در برابر خوردگی را نیز افزایش می‌دهد و هزینه ناچیزی برای تولید آلیاژ دارد، ازاین‌رو نیتروژن یک جزء حیاتی در طراحی آلیاژهای آستنیتی مدرن است.

یکی از بارزترین ویژگی‌های فولادهای زنگ نزن آستنیتی، کرنش سختی آن‌ها است که بالاتر از فولادهای فریتی می‌باشد. تبدیل آستنیت ناپایدار به مارتنزیت، ناشی از کرنش می‌تواند ضریب افزایش استحکام را تا نزدیک به ۱.۰ افزایش دهد. فولادهای زنگ نزن آستنیتی سرد کار معمولاً در استحکام کششی نزدیک به ۲۰۰۰ مگاپاسکال استفاده می‌شوند.

• فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده

گروه دیگری از فولادهای زنگ نزن آستنیتی  وجود دارند که با عنوان فولادهای زنگ نزن با قابلیت سخت شدن توسط رسوب شناخته می‌شوند. همچنین یک گروه مرتبط از فولادهای زنگ نزن سخت شده با رسوب با ساختار زمینه مارتنزیتی وجود دارد که بیشتر به‌عنوان فولادهای ماریجینگ شناخته می‌شوند که گروه جداگانه‌ای هستند. گروه‌های رسوب سخت شونده با رسوب فاز بین فلزی گاما پرایم که از محلول جامد فوق اشباع آستنیت رسوب می‌کند، توسعه‌یافته‌اند. این رسوب‌ها از واکنش بین فلزات نیکل، آلومینیم و تیتانیم ایجاد می‌شوند و یک عملیات حرارتی رسوب زایی معمولی شامل پیرسازی در دمای ۷۲۵ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۶ ساعت پس از همگن‌سازی در ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

آلیاژهایA286  و Discaloy دو نمونه برجسته از این خانواده آلیاژی هستند. دومین گروه متداول‌تر، فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده نیمه‌آستنیتی هستند. این گروه از فولادها با رسوب فاز کاربیدی M_۲۳C_۶ سخت می‌شوند. فولادهای ۱۷-7PH و ۱۵-7PH  نماینده این گروه هستند.

• شکل‌پذیری

فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل ماهیت نرم خود، شکل‌پذیری بسیار خوبی دارند. متداول‌ترین روش شکل‌دهی سرد، روش شکل‌دهی کشش است. در روشی که به آن کشش عمیق می‌گویند، یک صفحه خالی بدون محدودیت اضافی، آزادانه به داخل قالب کشیده می‌شود. حالت دیگر این روش، با محدود شدن اطراف قالب است که ورق به داخل کشیده می‌شود.

فولادهای کربنی و فولادهای زنگ نزن فریتی هر دو به‌راحتی کشش عمیق می‌شوند. زیرا ماهیت ناهمسانگرد نورد تخت ساختار b.c.c. در برابر نازک شدن در جهت ضخامت مقاومت می‌کنند و به آن‌ها کشش‌پذیری بیشتر از چیزی که شکل‌پذیری ذاتی آن‌ها نشان می‌دهد را ارائه می کند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی در تقریب اول همسانگرد هستند، بنابراین فاقد این مزیت می‌باشند، اما با شکل‌پذیری استثنایی خود، این ضعف را جبران می‌کنند.

میزان کار سختی در طول تغییر شکل بسیار مهم است چراکه در مقاطع نازک با اعمال تغییر شکل و موضعی شدن تنش، ممکن است ورق دچار پارگی شود. ازاین‌رو کنترل میزان کار سختی در ورق‌های فولادهای زنگ نزن آستنیت برای تهیه ورق‌های نازک بسیار مهم است. از گرید فولاد ۳۰۱ برای تهیه سینک‌های آشپزخانه استفاده می‌شود و در تهیه مقاطع استوانه با اعمال چندین مرحله تغییر شکل، بدون انجام آنیل میانی، در اکثر گرید های فولادهای زنگ نزن، مقاطع استوانه‌ای ایجاد می‌شود.

کیفیت سطحی همیشه یک فاکتور مهم بوده است. محصول نهایی بایستی ریزدانه بوده و هیچ آثاری از تغییر شکل روی محصول مشاهده نشود. عیوبی مانند باندهای لودر یا خراش‌های ناشی از تغییر شکل که در فولادهای ساده کربنی و زنگ نزن های فریتی شایع است، در فولادهای زنگ نزن آستنیتی مشاهده نمی‌شود. اگر در طول فرآیند شکل‌دهی، گاز هیدروژن در قطعه نفوذ کرده باشد، قطعه بعد از مدتی دچار شکستگی ناشی از تردی هیدروژنی خواهد شد.

• خوردگی

هرچه قدر خواص مختلف فولادهای زنگ نزن موردتوجه قرار گیرد، این فولادها با خواص خوردگی بالای خود شناخته می‌شوند. خاصیت ضد خوردگی فولادهای زنگ نزن از وجود لایه اکسیدی مقاوم ناشی می‌شود. این لایه اکسیدی در اکثر محیط‌ها مقاوم است و مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن را تضمین می‌کند.

تاکنون به‌درستی ماهیت لایه‌ی اکسیدی تشکیل‌شده روی سطح فولاد مشخص نشده است ولی این لایه در حد چندلایه‌ی اتمی است و بسیار چسبنده می‌باشد. وجود حداقل ۱۱ درصد کروم در ترکیب این لایه برای تضمین ضد خوردگی بودن فولاد در محیط‌های معمولی الزامی است ولی برای محیط‌های خورنده، درصدهای بالاتری از کروم برای تشکیل یک‌لایه اکسید پایدار نیاز می‌باشد. خوردگی در فولادهای زنگ نزن عموماً به‌صورت خوردگی عمومی اتفاق نمی‌افتد بلکه به‌صورت خوردگی حفره‌ای (pitting) رخ می‌دهد. در این نوع خوردگی با پیشرفت خوردگی، قطعه کار سوراخ می‌شود ولی این سوراخ یک سوراخ با قطر بسیار پایین است. وجود عناصری نظیر کروم، مولیبدن و نیتروژن در بهبود عملکرد خوردگی حفره‌ای فولادهای زنگ نزن، تأثیر مثبت دارند. همچنین وجود درصد گوگرد پایین باعث می‌شود تا مقاومت به خوردگی حفره‌ای کاهش یابد.

• مقاومت به اکسیداسیون و خزش

همان لایه‌ی اکسیدی کروم با ضخامت پایین و میزان نفوذپذیری یونی پایین، به فولادهای زنگ نزن، مقاومت به اکسایش بالا را بخشیده است. وجود عناصر کروم و نیکل به ترتیب باعث افزایش ۲۵ و ۲۰ درصدی مقاومت به اکسایش در فولاد زنگ نزن گروه ۳۱۰ می‌شود. وجود عناصر فسفر و آلومینیم می‌توانند مقاومت به اکسایش را بهبود می‌بخشد. وجود کلسیم و عناصر نادر خاکی با تشکیل رسوب‌های Cr_۲۳C_۶ باعث کاهش مقاومت به اکسایش می‌شوند. فولادهای زنگ نزن آستنیت دارای مقاومت به خزش بالایی هستند و مقاومت به تغییر شکل داغ این گروه از فولادها در مقایسه با فولادهای فریتی بیشتر است. وجود عناصر بین نشین مثل کربن و بور باعث بهبود خواص خزشی می‌شوند همچنین تأثیر عناصر تیتانیم و مولیبدن بیشتر از عناصر بین نشین است. عنصر زیرکونیم هم که یک عنصر کاربید زای قوی است باعث بهبود عملکرد خزشی می‌شود.

• کاربردها

با توجه به خواص ویژه فولادهای زنگ نزن آستنیتی، این مواد در کاربردهای خاصی نظیر کاربردهای دمابالا، کاربردهای صنعتی و غذایی مورداستفاده قرار می‌گیرند. این مواد در مقایسه با مواد فلزی جایگزین مانند فولادهای ساده کربنی، قیمت بالاتری دارند ولی با توجه به بالا بودن عمر این گروه از مواد، استفاده از فولادهای زنگ نزن آستنیتی مقرون‌به‌صرفه است. صنایع پتروشیمی و صنایع غذایی به این گروه مواد وابسته‌اند و با توجه به مقاومت بالای این مواد در برابر خوردگی، گزینه‌ی مناسبی برای کاربردهای صنعتی می‌باشند. همچنین قابلیت جوشکاری بالای این فولادها و تولید تجهیزات و قطعات از این گریدها باعث افزایش محبوبیت این گروه از مواد شده است.

بعضی مواقع مانند کاربردهای صنعت لوازم‌خانگی مانند سینک‌های ظرفشویی، قابلیت شکل‌پذیری مانند قابلیت خوردگی، دارای اهمیت ویژه می‌باشد. برای مصارفی که میزان شکل‌پذیری کم موردنیاز است، از گروه‌هایی با ساختار آستنیت نیمه پایدار استفاده می‌شود ولی برای مصارفی که نیاز به شکل‌پذیری بالاست، از گروه‌های فولادی با پایداری فازی بالا استفاده می‌شود. از دیگر موارد کاربرد فولادهای زنگ نزن در لوازم‌خانگی، می‌توان به تولید ظروف و چاقو اشاره کرد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی با توجه به خواص منحصربه‌فردی که دارند، در صنایع حمل‌ونقل و برودتی نیز مورداستفاده قرار می‌گیرند. این گروه از فولادها قابلیت این را دارند که تا دماهای بسیار پایین شکل‌پذیری خود را حفظ کنند و ازاین‌رو در مخازن ذخیره‌سازی نیتروژن مایع و گاز طبیعی مورداستفاده قرار می‌گیرند. با توجه به ویژگی‌های ظاهری فولادهای زنگ نزن، این گروه از مواد در کاربردهای تزئینی نیز مورداستفاده قرار می‌گیرند و برای ایجاد سطوح شفاف یا مات کاربرد دارند.

منابع:

http://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001emst.book..406M/abstract

https://www.researchgate.net/publication/285111370_Austenitic_Stainless_Steels

مراجع:

• Angel T 1954 J. Iron Steel Inst. London ۱۷۷, ۱۶۵
• Blank J 1988 Stainless Steels ’۸۷. Institute of Metals, London
• Boyer H, Gall T 1985 Metals Handbook Desk Edition. American Society For Metals, Metals Park, OH
• Lacombe P, Baroux B, Beranger G 1990 Les Aciers Inoxydables. Les Editions de Physique, Paris
• Nicodemi W 1993 InnoŠation in Stainless Steel. Associazone Italiana di Metallurgia, Milan
• Nordberg H, Bjorklund J 1992 Applications of Stainless Steel. Kristianstads Boktryceri, Stockholm
• Peckner D, Bernstein I 1977 Handbook of Stainless Steel. McGraw-Hill, New York
• Pickering F, Irvine K, Gladman T 1969 J. Iron Steel Inst. London ۱۰۱۷
• Sedriks A 1979 Corrosion of Stainless Steel. Wiley-Interscience, New York
• Sedriks A 1984 Stainless Steels ’۸۴. Institute of Metals, Go$ teborg, Sweden

Suutala N 1983 Metall. Trans. ۱۹۱–۷

[۱] -Argon–oxygen decarburization (AOD)

[۲] Hot reversing mills

[۳] Tandem mills

[۴] sensitization